Comisión Nacional del Agua

Transcripción

1 Comisión Nacional del Agua MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO REDES DE DISTRIBUCIÓN Diciembre de

2 ADVERTENCIA Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007 ISBN: Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No Col. Copilco El Bajo C.P , Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F. Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.

3 Comisión Nacional del Agua Ing. José Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín Coordinador de Asesores de la Dirección General Ing. Raúl Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administración Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administración del Agua Ing. José Ramón Ardavín Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola Lic. Jesús Becerra Pedrote Subdirector General Jurídico Ing. José Antonio Rodríguez Tirado Subdirector General de Programación Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés Subdirector General Técnico Lic. René Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del Órgano Interno de Control Responsable de la publicación: Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martínez Oliver Subgerente de Normalización La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron: Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez

4 ELABORACIÓN 1ª Edición Dr. Velitchko G. Tzatchkov (1) Ing. Jorge Izurieta Dávila (1) 2ª Edición Dr. Óscar Fuentes Mariles (2) Ing. Luis E. Franco Hernández (2) 3ª Edición Dr. Velitchko G. Tzatchkov (1) REVISIÓN 3ª Edición Ing. Eduardo Martínez Oliver (3) Ing. Héctor E. Álvarez Novoa (3) (1) Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). (2) Instituto de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México (II-UNAM). (3) Comisión Nacional del Agua (CNA).

5 PRESENTACIÓN Este documento es la segunda versión del Manual de "Redes de distribución", y tiene como principal objetivo el brindar apoyo al profesional encargado de diseñar o analizar el funcionamiento de las redes de distribución de agua potable. Se presentan algunas variantes con respecto a la versión anterior, las cuales pretenden mejorar el contenido del manual desde los puntos de vista técnico y práctico. Con respecto a la primera versión, se le ha dado una nueva estructuración, así mismo se agregaron, eliminaron o modificaron aquellos temas que se consideraron pertinentes. Cabe destacar que para lograr un diseño eficiente y económico de una red de distribución deben analizarse una serie de opciones, y que los métodos y programas de cómputo presentados en este manual sólo permiten el análisis de una opción en particular. Por este motivo, el diseñador o analista debe apoyarse en su juicio y experiencia, así como en las condiciones locales y de operación para determinar la opción más adecuada. Se ha procurado hacer referencia a los programas de redes en general, sin enfatizar el uso de uno en particular, con el fin de que el usuario pueda adquirir y utilizar aquel en el que deposite su confianza. Y en caso de requerirse, el propio usuario podrá elaborar o modificar su propio programa de análisis de redes de distribución basándose en sus necesidades particulares. Sin embargo, se incluyen algunos programas de cómputo que sirven como ejemplos de lo que se podría esperar de un programa de redes. Tales programas, aunque son sencillos, permiten el practicar el análisis de redes poco complicadas y sensibilizarse ante casos más complejos. Deseamos que este trabajo le sea de utilidad y esperamos sus comentarios para tenerlos en cuenta en versiones posteriores.

6 CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN RED DE DISTRIBUCIÓN COMPONENTES DE UNA RED PRESIONES DISPONIBLES PRESIONES ADMISIBLES ZONAS DE PRESIÓN TIPOS DE PROYECTOS DE REDES CARACTERÍSTICAS REDES DE DISTRIBUCIÓN Esquemas básicos División de una red de distribución Formas de distribución Zonas de presión COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN Tuberías Piezas especiales Válvulas Hidrantes Tanques de distribución Bombas Pozos Tomas domiciliarias INSTALACIONES COMPLEMENTARIAS DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN BOMBAS Curvas características Análisis del funcionamiento de una bomba Curvas de requerimiento de carga del sistema Consideraciones de sumergencia y de cavitación Relaciones de similitud de bombas Selección de bombas POZOS Clasificación de los pozos Hidráulica de pozos TANQUES DE REGULACIÓN Tipos de tanques Determinación de la capacidad del tanque regulador FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO RED DE TUBERÍAS EN RÉGIMEN PERMANENTE (ANÁLISIS ESTÁTICO) Caso de una tubería Conjunto de tuberías Métodos de solución Accesorios en la red i

7 4.2 RED DE TUBERÍAS EN RÉGIMEN NO PERMANENTE (ANÁLISIS DINÁMICO) Ecuaciones del modelo dinámico Accesorios en la red Ecuaciones por resolver DISEÑO ÓPTIMO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN ANTECEDENTES MÉTODO PROPUESTO Descripción del método EJEMPLO DE OPTIMACIÓN DE UNA RED ANÁLISIS POR COMPUTADORA EVOLUCIÓN DE LOS PROGRAMAS DE REDES CARACTERÍSTICAS DE LOS PROGRAMAS DE REDES APLICACIONES DE LOS PROGRAMAS DE REDES CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DEL PROGRAMA DE REDES PREPARACIÓN DEL MODELO PROCEDIMIENTO DE CAPTURA DE DATOS CALIBRACIÓN DEL MODELO ANÁLISIS DEL SISTEMA ELABORACIÓN DEL PROYECTO ESTUDIOS BÁSICOS Datos generales Servicio de agua potable Información topográfica Información adicional para el proyecto DATOS DE PROYECTO Período de diseño Dotación Proyecciones de población por tipo de usuario Presiones Servicio contra incendio Capacidad de la red METODOLOGÍA Selección del esquema de la red Trazo de la red Determinación de la demanda Distribución de la demanda en la red Selección preliminar de los diámetros de los tramos Análisis del funcionamiento hidráulico de la red Dimensionamiento hidráulico de tanques de regulación Revisión del diseño de la red y tanques de regulación con un programa de análisis dinámico Diseño de los rebombeos Diseño de cajas rompedoras de presión y válvulas reductoras de presión Ubicación de las válvulas de seccionamiento ii

8 Ubicación de válvulas de admisión y expulsión de aire y desagüe Localización de tuberías de agua potable Diseño de cruceros PRESENTACIÓN Y CONTENIDO DEL PROYECTO MEMORIA DESCRIPTIVA SOLUCIÓN DE MÍNIMO COSTO PRESUPUESTO DE LAS OBRAS PLANOS DEL PROYECTO RECOMENDACIONES SOBRE LA CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN DE LA RED RECOMENDACIONES CONSTRUCTIVAS RECOMENDACIONES OPERATIVAS Recopilación de información Diagnóstico de operación Solución de problemas CONCLUSIONES REFERENCIAS ANEXO A. PROGRAMAS DE CÓMPUTO A.1 PROGRAMA AH (ANÁLISIS HIDRÁULICO) A.2 PROGRAMA ESTAII (RED ESTÁTICA) A.3 PROGRAMA "AHPE" (ANÁLISIS HIDRÁULICO DE PERÍODOS EXTENDIDOS) A.4 PROGRAMA REDINII (RED DINÁMICA) A.5 EL PROGRAMA EPANET A.6 PROGRAMA "DR" (DISEÑO DE REDES) A.7 PROGRAMA DISOPII (DISEÑO ÓPTIMO) iii

9 1. INTRODUCCIÓN. El agua es un elemento esencial para la vida, por lo que las antiguas civilizaciones se ubicaron a lo largo de los ríos. Más tarde, los avances técnicos le permitieron al hombre transportar y almacenar el agua, así como extraerla del subsuelo, por lo cual los asentamientos humanos se han esparcido lejos de ríos y de otras fuentes superficiales de agua. Actualmente, su uso en las poblaciones es diverso, como lo es para consumo humano, en el aseo personal, y en actividades como la limpieza doméstica y en la cocción de los alimentos. Además se usa para fines comerciales, públicos e industriales; también en la irrigación, la generación de energía eléctrica, la navegación y en recreación. De la misma forma que ha evolucionado el uso del agua, lo ha hecho el término "abastecimiento de agua" que en nuestros días conlleva el proveer a las localidades urbanas y rurales de un volumen suficiente de agua, con una calidad requerida y a una presión adecuada. Un sistema moderno de abastecimiento de agua se compone de instalaciones para la captación, almacenamiento, conducción, bombeo, tratamiento y distribución. Las obras de captación y almacenamiento permiten reunir las aguas aprovechables de ríos, manantiales y agua subterránea. Incluyen actividades como el desarrollo y cuidado de la cuenca de aportación, pozos y manantiales, así como la construcción de presas y de galerías filtrantes. La conducción engloba a los canales y acueductos, así como instalaciones complementarias de bombeo para transportar el agua desde la fuente hasta el centro de distribución. El tratamiento es la serie de procesos que le dan al agua la calidad requerida y finalmente, la distribución es dotar de agua al usuario para su consumo. En la figura 1.1 se muestra la configuración típica de un sistema de abastecimiento de agua en localidades urbanas. Es importante mencionar que una vez que el agua ha sido empleada, debe ser desalojada a través de una red de alcantarillado y conducida a una planta de tratamiento para que posteriormente pueda ser reutilizada o reintegrada a la naturaleza sin causar deterioro ambiental. La figura 1.2 muestra un esquema general de un sistema de abastecimiento de agua potable en una localidad. Este documento tiene como objetivo el presentar los conceptos básicos de redes de distribución de agua, así como la metodología y recomendaciones para su diseño. Las obras restantes (captación, conducción, etc.) se tratan con mayor detalle en los libros correspondientes a dichos temas en este Manual. 1

10 Rφo Rφo Cuenca de Aportaci n Almacenamiento Presa * * Pozos * Planta de Tratamiento (Potabilizaci n) Tanque de regulaci n Localidad Red de Alcantarillado (Colectores) * Lφneas de conducci n Lφnea de alimentaci n Rφo Toma directa Red de distribuci n Planta de Tratamiento (Aguas Residuales) Disposici n final del Agua Figura 1.1 Configuración típica de un sistema de abastecimiento de agua en localidades urbanas Figura 1.2 Esquema general de un sistema de abastecimiento de agua potable 2

11 1.1 RED DE DISTRIBUCIÓN. Una red de distribución (que se denominará en lo sucesivo red) es el conjunto de tuberías, accesorios y estructuras que conducen el agua desde tanques de servicio o de distribución hasta las tomas domiciliarias o hidrantes públicos. Su finalidad es proporcionar agua a los usuarios para consumo doméstico, público, comercial, industrial y para condiciones extraordinarias como el extinguir incendios. La red debe proporcionar este servicio todo el tiempo, en cantidad suficiente, con la calidad requerida y a una presión adecuada. Los límites de calidad del agua, para que pueda ser considerada como potable se establecen en la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1 vigente. 1.2 COMPONENTES DE UNA RED. Una red de distribución de agua potable se compone generalmente de: a) Tuberías: Se le llama así al conjunto formado por los tubos (conductos de sección circular) y su sistema de unión o ensamble. Para fines de análisis se denomina tubería al conducto comprendido entre dos secciones transversales del mismo. La red de distribución está formada por un conjunto de tuberías que se unen en diversos puntos denominados nudos o uniones. De acuerdo con su función, la red de distribución puede dividirse en: red primaria y red secundaria. A la tubería que conduce el agua desde el tanque de regulación hasta el punto donde inicia su distribución se le conoce como línea de alimentación, y se considera parte de la red primaria. La división de la red de distribución en red primaria o secundaria dependerá del tamaño de la red y de los diámetros de las tuberías. De esta forma, la red primaria se constituye de los tubos de mayor diámetro y la red secundaria por las tuberías de menor diámetro, las cuales abarcan la mayoría de las calles de la localidad. Así, una red primaria puede ser una sola tubería de alimentación o cierto conjunto de tuberías de mayor diámetro que abarcan a toda la localidad. b) Piezas especiales: Son todos aquellos accesorios que se emplean para llevar a cabo ramificaciones, intersecciones, cambios de dirección, modificaciones de diámetro, uniones de tuberías de diferente material o diámetro, y terminales de los conductos, entre otros. A las piezas o conjuntos de accesorios especiales con los que, conectados a la tubería, se forman deflexiones pronunciadas, cambios de diámetro, derivaciones y ramificaciones se les llama cruceros. También permiten el control del flujo cuando se colocan válvulas. 3

12 c) Válvulas: Son accesorios que se utilizan para disminuir o evitar el flujo en las tuberías. Pueden ser clasificadas de acuerdo a su función en dos categorías: 1) Aislamiento o seccionamiento, las cuales son utilizadas para separar o cortar el flujo del resto del sistema de abastecimiento en ciertos tramos de tuberías, bombas y dispositivos de control con el fin de revisarlos o repararlos; y 2) Control, usadas para regular el gasto o la presión, facilitar la entrada de aire o la salida de sedimentos o aire atrapados en el sistema. d) Hidrantes: Se le llama de esta manera a una toma o conexión especial instalada en ciertos puntos de la red con el propósito de abastecer de agua a varias familias (hidrante público) o conectar una manguera o una bomba destinados a proveer agua para combatir el fuego (hidrante contra incendio). Los hidrantes públicos son tomas compuestas usualmente por un pedestal y una o varias llaves comunes que se ubican a cierta distancia en las calles para dar servicio a varias familias. El agua obtenida del hidrante público es llevada a las casas en contenedores tales como cubetas u otros recipientes. Se utilizan en poblaciones pequeñas en los casos donde las condiciones económicas no permiten que el servicio de agua potable se instale hasta los predios de los usuarios. e) Tanques de distribución: Un tanque de distribución es un depósito situado generalmente entre la captación y la red de distribución que tiene por objeto almacenar el agua proveniente de la fuente. El almacenamiento permite regular la distribución o simplemente prever fallas en el suministro, aunque algunos tanques suelen realizar ambas funciones. Se le llama tanque de regulación cuando guarda cierto volumen adicional de agua para aquellas horas del día en que la demanda en la red sobrepasa al volumen suministrado por la fuente. La mayor parte de los tanques existentes son de este tipo. Algunos tanques disponen de un volumen de almacenamiento para emergencias, como en el caso de falla de la fuente. Este caso es usualmente previsto por el usuario, quien dispone de cisternas o tinacos, por lo que en las redes normalmente se utilizan tanques de regulación únicamente. Una red de distribución puede ser alimentada por varios tanques correspondientes al mismo número de fuentes o tener tanques adicionales de regulación dentro de la misma zona de la red con el fin de abastecer sólo a una parte de la red. f) Tomas domiciliarias: Una toma domiciliaria es el conjunto de piezas y tubos que permite el abastecimiento desde una tubería de la red de distribución hasta el predio del usuario, así como la instalación de un medidor. Es la parte de la red que demuestra la eficiencia y calidad del sistema de distribución pues es la que abastece de agua directamente al consumidor. 4

13 g) Rebombeos: Consisten en instalaciones de bombeo que se ubican generalmente en puntos intermedios de una línea de conducción y excepcionalmente dentro de la red de distribución. Tienen el objetivo de elevar la carga hidráulica en el punto de su ubicación para mantener la circulación del agua en las tuberías. Los rebombeos se utilizan en la red de distribución cuando se requiere: - Interconexión entre tanques que abastecen diferentes zonas. - Transferencia de agua de una línea ubicada en partes bajas de la red al tanque de regulación de una zona de servicio de una zona alta. - Incremento de presión en una zona determinada mediante rebombeo directo a la red o "booster". Esta última opción se debe evitar, y considerar sólo si las condiciones de la red no permiten la ubicación de un tanque de regulación en la región elevada. h) Cajas rompedoras de presión: Son depósitos con superficie libre del agua y volumen relativamente pequeño, cuya función es permitir que el flujo de la tubería se descargue en ésta, eliminando de esta forma la presión hidrostática y estableciendo un nuevo nivel estático aguas abajo. 1.3 PRESIONES DISPONIBLES. La presión o carga hidráulica que actúa en un punto de una tubería se define por la diferencia entre la cota piezométrica en este punto y la cota del centro de la tubería. En redes de distribución es común manejar las presiones con relación al nivel de la calle en vez de referirlas al centro del tubo. En este caso se les llama presiones disponibles o libres y se calculan para los cruceros de las tuberías. 1.4 PRESIONES ADMISIBLES. El régimen de presiones en una red depende de dos factores: la necesidad del servicio y las condiciones topográficas de la localidad. Las necesidades del servicio obligan por una parte a seleccionar una presión mínima capaz de atender dos clases de requerimientos: los de las edificaciones y la demanda contra incendio. Por otro lado, presiones muy altas en la red requerirán de tuberías y accesorios más resistentes (más costosos) e incrementaran las fugas (en caso de existir). Por lo tanto, en ningún punto de la red la presión debe exceder una presión máxima permisible. La presión mínima debe verificarse en la red de distribución de tal manera que en todos los puntos se tenga una presión por lo menos igual a ésta en la hora de máxima demanda y, se garantice un suministro mínimo. En cambio, la máxima se presentara cuando exista poca demanda y la red continúe funcionando a presión. El establecimiento de estas condiciones en una localidad se combina con su topografía. Como resultado de esto, en los puntos más elevados, la presión disponible en las horas 5

14 de máximo consumo no debe ser inferior a la presión mínima requerida; en cambio, en los más bajos, esta presión no debe ser superior a la presión máxima especificada. 1.5 ZONAS DE PRESIÓN. Las zonas de presión son divisiones realizadas en la red de distribución debido a la topografía, el tamaño o las políticas de operación de la localidad. La zonificación o división en zonas de presión es aconsejable cuando se sobrepasan las presiones admisibles en la red de distribución, es decir, al cumplir con la presión mínima requerida en una parte de la red se sobrepasa la presión máxima permisible en otra parte de la misma. Lo anterior sucede cuando la topografía de la localidad es muy irregular o cuando la localidad es muy grande. Usualmente las zonas de presión pueden interconectarse entre sí para abastecerse en forma ordinaria cuando se tiene una sola fuente, o extraordinaria (incendio, falla de la fuente, reparaciones, etc.) cuando se tienen varias fuentes. La interconexión entre las zonas de presión se hace mediante la maniobra de válvulas, descarga directa a tanque o uso de válvulas reductoras de presión en el caso de zonas bajas, o de rebombeos a zonas altas. Las políticas de operación influyen en la zonificación debido a la existencia de límites políticos, mejor control del abastecimiento y su distribución, así como de la operación y mantenimiento de la red de distribución. 1.6 TIPOS DE PROYECTOS DE REDES. La mayor parte de las obras que se hacen en las redes de distribución en las ciudades son para mejorar o para ampliar las redes que ya existen, solamente una pequeña proporción son para dar servicio a zonas nuevas o aisladas. Por tanto, se requieren dos tipos de proyectos denominados de rehabilitación y nuevos. Los proyectos de rehabilitación se hacen cuando se debe modificar una parte de la red para mejorar su funcionamiento hidráulico, o bien, cuando cambios en el uso del suelo o ampliaciones a la zona de servicio obligan a incrementar la capacidad de la red de distribución. Los proyectos nuevos se requieren cuando se debe dar servicio por primera vez a una zona, o cuando es necesario hacer una ampliación a una red existente que por su magnitud en proyecto ya no puede catalogarse como una rehabilitación. 6

15 2. CARACTERÍSTICAS. 2.1 REDES DE DISTRIBUCIÓN Esquemas básicos. Los esquemas básicos o configuraciones se refieren a la forma en la que se enlazan o trazan las tuberías de la red de distribución para abastecer de agua a las tomas domiciliarias. Se tienen tres posibles configuraciones de la red: a) cerrada, b) abierta o c) combinada. Antes de definir las posibles configuraciones de la red es conveniente definir qué es un circuito. Un circuito es un conjunto de tuberías conectadas en forma de polígono, donde el agua que parte de un punto puede volver al mismo después de fluir por las tuberías que lo componen. Cuando una red es cerrada (o tiene forma de malla), sus tuberías forman al menos un circuito (varios en el caso de la figura 1.2). La ventaja de diseñar redes cerradas es que en caso de falla, el agua puede tomar trayectorias alternas para abastecer una zona de la red. Una desventaja de las mismas es que no es fácil localizar las fugas. La red abierta se compone de tuberías que se ramifican sin formar circuitos (forma de árbol). Esta configuración de la red se utiliza cuando la planimetría y la topografía son irregulares dificultando la formación de circuitos o cuando el poblado es pequeño o muy disperso. Este tipo de red tiene desventajas debido a que en los extremos muertos pueden formarse crecimientos bacterianos y sedimentación; además, en caso de reparaciones se interrumpe el servicio más allá del punto de reparación; y en caso de ampliaciones, la presión en los extremos es baja. En algunos casos es necesario emplear ramificaciones en redes cerradas, es decir, se presentan ambas configuraciones y se le llama red combinada. Cabe destacar que la configuración de la red se refiere a la red primaria que es la que rige el funcionamiento de la red. Pueden darse casos de redes abiertas con tuberías secundarias formando circuitos, sin embargo, la red se considera abierta División de una red de distribución. Una red de distribución se divide en dos partes para determinar su funcionamiento hidráulico: la red primaria, que es la que rige el funcionamiento de la red, y la red secundaria o "de relleno". La red primaria permite conducir el agua por medio de líneas troncales o principales y alimentar a las redes secundarias. Se considera que el diámetro mínimo de las tuberías correspondientes a la red primaria es de 100 mm. Sin embargo, en colonias urbanas populares se puede aceptar de 75 mm y en zonas rurales hasta 50 mm, aunque en grandes urbes se puede aceptar a 7

16 partir de 500 mm. La red secundaria distribuye el agua propiamente hasta las tomas domiciliarias. Existen tres tipos de red secundaria: a) Red secundaria convencional: En este tipo de red los conductos se unen a la red primaria y funcionan como una red cerrada. Se suelen tener válvulas tanto en las conexiones con la red primaria como en los cruceros de la secundaria. En la figura 2.1 se muestra este tipo de red, así como algunas de sus características. 1 Tanque de regulaci n Vßlvula de seccionamiento Caja de operaci n de vßlvulas Tuberφas de la red primaria Tuberφas de la red secundaria Figura 2.1 Red secundaria convencional Notas: 1) Esta red esta formada por dos circuitos (red primaria) con un total de 76 cruceros, 69 válvulas de seccionamiento y 54 cajas de operación de válvulas. 2) En la red secundaria se tienen 60 válvulas de seccionamiento y 48 cajas de operación de válvulas. 3) Para aislar sectores de operación en el interior de los circuitos, formados por 6, 7 u 8 tramos de calles, se deben cerrar 6 u 8 válvulas. Los tramos cerrados corresponden a 3 o 4 calles diferentes. b) Red secundaria en dos planos: En una red de este tipo, las tuberías se conectan a la red primaria en dos puntos opuestos cuando la red está situada en el interior de los circuitos, o bien en un solo crucero de las tuberías primarias en los casos de líneas exteriores a ellos (funcionando como líneas abiertas). Su longitud varía entre 400 y 600 m, en función al tamaño de la zona a la que se le da el servicio. En este tipo de red las tuberías que se cruzan no necesariamente se unen tal como se muestra en la figura

17 1 Tanque de regulaci n Vßlvula de seccionamiento Caja de operaci n de vßlvulas Figura 2.2 Red secundaria en dos planos Notas: 1) En el interior de los circuitos de la red primaria, las tuberías se cruzan a desnivel. De esta manera, no se tienen cajas de operación de válvulas en la red secundaria. 2) Se tienen un total de 47 cruceros, 45 válvulas y 34 cajas de operación de válvulas. 3) En la red secundaria se han colocado sólo 36 válvulas de seccionamiento y 28 cajas de operación. 4) Con el cierre de dos válvulas en el interior de los circuitos se aíslan 5 tramos de una sola calle, y con el cierre de diversas combinaciones de válvulas, se pueden aislar varias calles. c) Red secundaria en bloques: En este caso las tuberías secundarias forman bloques que se conectan con la red primaria solamente en dos puntos y la red principal no recibe conexiones domiciliarias. La longitud total de las tuberías secundarias dentro de un bloque normalmente es de 2,000 a 5,000 m. A su vez, la red secundaria dentro de un bloque puede ser convencional (figura 2.3) o en dos planos (figura 2.4). El tipo de red secundaria comúnmente recomendado es el de bloques y en dos planos dentro del bloque, debido a que tiene las siguientes ventajas: a) De proyecto: - El cálculo de revisión de la red es más sencillo. - La distribución de las demandas para el cálculo hidráulico de la red primaria se simplifica notablemente debido a que la alimentación de los bloques se realiza de manera concentrada en dos puntos de cada uno de los bloques. - El modelo del cálculo hidráulico es más preciso debido a que no hay consumos en ruta en las tuberías principales. - Economía de tiempo horas-hombre al disminuir el número de cruceros por diseñar, en comparación con una red convencional. 9

18 Figura 2.3 Red secundaria convencional en bloques Notas: 1) Se tienen en total 98 cruceros, 74 válvulas de seccionamiento y 67 cajas de operación. 2) En la red secundaria existen 65 válvulas de seccionamiento correspondientes a 61 cajas de operación de válvulas. 1 Tanque de regulaci n Vßlvula de seccionamiento Caja de operaci n de vßlvulas Figura 2.4 Red secundaria en bloques y en dos planos Notas: 1) En el interior de los bloques las tuberías se cruzan a desnivel. 2) El número total de cruceros es de 69. Así mismo, en la red secundaria se tienen sólo 39 válvulas de seccionamiento correspondientes a igual número de cajas de operación

19 - b) De construcción: - La instalación de las tuberías secundarias se realiza en forma más rápida, puesto que no se tienen cruceros, ni cajas de operación de válvulas dentro de la red secundaria. - Las pruebas de presión hidrostática se facilitan. c) De operación, mantenimiento y control de fugas: - Menor número de válvulas a operar y mantener. - Como cada tubería secundaria se alimenta mediante uno o dos puntos, se facilita notablemente la operación de la red en las labores de corrección de fugas y en la conexión de tomas nuevas. - Un establecimiento natural de zonas de presión. - Facilidades para hacer mediciones del consumo en la red. Éstas son utilizadas para la ejecución de estudios de fugas no visibles. - Posibilidad de sustituir, reforzar o rehabilitar redes primarias afectando a un menor número de usuarios. d) En costos de inversión: - Economía en el suministro e instalación de piezas especiales debido al menor número de válvulas de seccionamiento. - El número de cajas de operación disminuye y se logra mayor economía por este concepto Formas de distribución. El agua se distribuye a los usuarios en función de las condiciones locales de varias maneras: a) Por gravedad. El agua de la fuente se conduce o bombea hasta un tanque elevado desde el cual fluye por gravedad hacia la población. De esta forma se mantiene una presión suficiente y prácticamente constante en la red para el servicio a los usuarios. Este es el método más confiable y se debe utilizar siempre que se dispone de cotas de terreno suficientemente altas para la ubicación del tanque, para asegurar las presiones requeridas en la red (figura 2.5). 11

20 Figura 2.5 Distribución por gravedad (recomendable) La tubería que abastece de agua al tanque (línea de conducción) se diseña para el gasto máximo diario Qmd y la tubería que inicia del tanque hacia el poblado (línea de alimentación) para el gasto máximo horario Qmh en el día de máxima demanda. b) Por bombeo. El bombeo puede ser de dos formas: b.1) Bombeo directo a la red, sin almacenamiento. Las bombas abastecen directamente a la red y la línea de alimentación se diseña para el gasto máximo horario Qmh en el día de máxima demanda. Este es el sistema menos deseable, puesto que una falla en el suministro eléctrico significa una interrupción completa del servicio de agua. Al variar el consumo en la red, la presión en la misma cambia también. Así, al considerar esta variación, se requieren varias bombas para proporcionar el agua cuando sea necesario. Las variaciones de la presión suministrada por las bombas se trasmiten directamente a la red, lo que puede aumentar el gasto perdido por las fugas. b.2) Bombeo directo a la red, con excedencias a tanques de regulación. En esta forma de distribución el tanque se ubica después de la red en un punto opuesto a la entrada del agua por bombeo, y las tuberías principales se conectan directamente con la tubería que une las bombas con el tanque. El exceso de agua bombeada a la red durante períodos de bajo consumo se almacena en el tanque, y durante períodos de alto consumo el agua del tanque se envía hacia la red, para complementar a la distribuida por bombeo. 12

21 La experiencia de operación en México ha mostrado que esta forma de distribución no es adecuada. En general, la distribución por bombeo se debe evitar en los proyectos y sólo podrá utilizarse en casos excepcionales, donde se pueda justificar. c) Distribución mixta. En este caso, parte del consumo de la red se suministra por bombeo con excedencias a un tanque del cual a su vez se abastece el resto de la red por gravedad (figura 2.6). El tanque conviene ubicarlo en el centro de gravedad de la zona de consumo de agua. Debido a que una parte de la red se abastece por bombeo directo, esta forma de distribución tampoco se recomienda. Figura 2.6 Distribución mixta (no recomendable) Una opción que puede resultar apropiada en poblaciones asentadas en terrenos planos consiste en modificar el esquema mostrado en la figura 2.6 para que el rebombeo alimente directamente al tanque elevado. La regulación se asegura con un tanque superficial de capacidad suficiente en el sitio de rebombeo, del cual se bombea al tanque elevado que puede ser de volumen pequeño. Para evitar el bombeo directo a la red no se permitirán conexiones o bifurcaciones de la tubería de alimentación que une el rebombeo con el tanque elevado Zonas de presión. Son posibles tres esquemas de suministro a zonas de presión: - Suministro en serie. Cuando se tiene una red dividida en zonas de presión, generalmente no es posible que cada una tenga su propia fuente de abastecimiento. Así, la zona de presión que recibe el agua deberá abastecer a las colindantes por medio de la descarga directa a tanques, cajas rompedoras de presión o válvulas reductoras de presión, en un terreno descendente; o por rebombeos en el caso de un terreno ascendente. Es recomendable que cada zona tenga su tanque de regulación. En casos excepcionales puede emplearse el bombeo directo a las zonas altas. Si así sucede, las bombas y tuberías de alimentación de la zona se diseñarán para el gasto máximo horario en el día de máxima demanda. Es necesario un estudio técnico-económico para comparar esta variante con la de un tanque de regulación, bombas y 13

22 tuberías diseñadas con el gasto máximo diario. - Suministro en paralelo. Se le llama así cuando cada zona de presión se abastece mediante líneas de conducción independientes y que poseen su propio tanque de regulación. - Suministro combinado. Este esquema se utiliza cuando la red de distribución se abastece mediante varias fuentes. - Cada una de ellas lo hace a una parte de la red, y esas partes se unen entre sí tanto en paralelo como en serie. 2.2 COMPONENTES DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN. Una red de distribución se compone de a partir de tuberías, piezas especiales (agrupadas en cruceros), válvulas de diversos tipos, hidrantes contra incendio y públicos (en pequeñas localidades), tanques de regulación, rebombeos y accesorios complementarios que permiten su operación y mantenimiento. En este subcapítulo se hace una descripción más profunda de cada uno de los componentes de una red, sus tipos, ventajas y desventajas. Aunque se listan las características y datos técnicos más importantes de tuberías y piezas especiales, se recomienda obtenerlos para cada caso directamente del fabricante, de quien se pueden recabar manuales de instalación, transporte, diseño, etc., así como precios y recomendaciones Tuberías. Una tubería se compone de dos o más tubos ensamblados mediante un sistema de unión que permite la conducción de un fluido. En la selección del material de la tubería intervienen características tales como: resistencia mecánica, durabilidad, resistencia a la corrosión, capacidad de conducción, economía, facilidad de conexión y reparación, y especialmente la conservación de la calidad del agua. La resistencia mecánica de la tubería le permite soportar cargas externas, como cargas estáticas (relleno de la zanja) y cargas dinámicas (tráfico). Además, le permite soportar cargas internas (presión hidrostática), tanto de operación como transitorios hidráulicos (golpe de ariete), aunque en redes de distribución los transitorios son relativamente pequeños. Influye también en la resistencia a daños durante su instalación. La resistencia de la tubería debe ser mayor que la máxima carga estática que se puede presentar. La carga estática máxima en un punto de la red se calcula restando la cota de la tubería a la cota de la carga estática en dicho punto. En los tramos que se encuentran con desniveles suaves, la carga estática máxima es el mayor valor de los calculados para sus dos extremos. 14

23 La durabilidad es el grado al cual la tubería provee servicio satisfactorio y económico bajo las condiciones de uso. Implica larga vida útil y hermeticidad, tanto en la tubería como en su sistema de unión. La resistencia a la corrosión está muy ligada a la durabilidad, pues es la capacidad de resistir suelos y aguas agresivos, los cuales provocan reacciones químicas adversas entre la pared del tubo y su entorno - tanto interno como externo - reduciendo la capacidad de conducción de la tubería, así como la vida útil de la misma. Pueden tomarse ciertas medidas para asegurar la resistencia a la corrosión de la tubería, las cuales son discutidas más adelante. La capacidad de conducción depende de la lisura interior de la tubería. En hidráulica, la facilidad con que el agua circula a través de la tubería se determina por medio de un factor o coeficiente de rugosidad. De esta forma, es posible calcular las pérdidas por fricción. El valor del factor de rugosidad depende del material de la tubería, su edad, y las condiciones en que se encuentre. En algunos tipos de tubería se puede conservar en buen estado sus paredes interiores recubriéndolas con cemento, asfalto, o algún otro revestimiento. En la economía de la tubería intervienen varios factores. En primer término se encuentran los costos de adquisición, entre los cuales intervienen la disponibilidad inmediata de tubos y piezas especiales, su transporte al lugar de instalación, así como su resistencia durante el manejo y transporte. Aspectos tales como largos tiempos de entrega, dificultad en obtener material adicional, o regresar piezas dañadas o defectuosas incrementan el tiempo y costo del proyecto. Otro factor económico de importancia es el costo de instalación. En éste se deberán considerar características de la tubería como son la longitud, peso, revestimientos tanto interno como externo, resistencia mecánica, tipo de unión, costo, flexibilidad, y facilidad de instalación de los tubos. A lo anterior tendrán que añadirse condiciones anormales de instalación como topografía accidentada, alto nivel freático, cruces de ríos, carreteras o vías de ferrocarril, así como la cercanía con otros tipos de instalaciones (drenajes, gasoductos, etc). El tipo de unión empleado en las tuberías se refiere al sistema de juntas empleado para enlazar los tubos o tramos de tubería. Aunque existen gran variedad de juntas, algunos tipos son especialmente prácticos y eficientes dependiendo del material y de los requerimientos de instalación de la tubería. Cabe destacar que las juntas generalmente permiten cierto grado de deflexión (curvatura en el tendido de la tubería), el cual es especificado en los catálogos del fabricante. Las tuberías empleadas actualmente son compatibles con otros tipos de tubería, es decir, el fabricante provee adaptadores y ciertos tipos de juntas para enlazar tuberías de materiales diferentes. En redes de distribución donde la red se construye tendiendo las diferentes tuberías que la conforman durante la construcción y posteriormente realizando las conexiones a usuarios conforme se requieren, resulta imprescindible la fácil instalación de conexiones tanto domiciliarias como de mayores diámetros con el fin de expandir la red 15

24 para servir a industrias, unidades habitacionales, comercios, etc; así como de válvulas y tubos adicionales. Resulta importante que la tubería sea reparable o al menos fácilmente reemplazable. Finalmente, La tubería deberá mantener la calidad del agua sin añadir sabores, olores, o sustancias químicas al agua transportada. Adicionalmente, el sistema de unión y la tubería deberán evitar la infiltración de sustancias contaminantes que pudieran encontrarse en zonas específicas. En la fabricación de los tubos se han usado diversos materiales, siendo utilizados actualmente con éxito en México para abastecimiento de agua potable los elaborados de: plástico - poli(cloruro de vinilo) (PVC) y polietileno de alta densidad (PEAD) -, fibrocemento (FC) antes denominado asbesto-cemento (AC), hierro fundido, concreto presforzado, así como acero. Aunque algunos de estos materiales son más empleados en líneas de conducción, pueden llegar a utilizarse en redes de gran tamaño o en líneas de alimentación. A continuación, se detallan las características de las tuberías y de los sistemas de unión de los diversos materiales, que se han empleado con éxito en nuestro país en abastecimiento de agua potable. La fabricación de tales tuberías está regida por normas o especificaciones, así como por el tipo de unión y sistema de medición empleado para su elaboración Tuberías de plástico. El uso de tubos de plástico en redes de distribución se ha incrementado recientemente. Se fabrican de poli(cloruro de vinilo) (PVC) y de polietileno de alta densidad (PEAD). Los tubos de poli(cloruro de vinilo) (PVC) (serie métrica) se fabrican en color blanco de acuerdo a la Norma Mexicana NMX-E-143 vigente, donde se clasifican de acuerdo a su sistema de unión en un solo tipo y un solo grado de calidad como Espiga-campana, y por su resistencia a la presión de trabajo en cinco clases (Tabla 2.1). Tabla 2.1 Presión máxima de trabajo en tuberías de PVC Clase Presión máxima de trabajo * MPa kgf/cm *Se considera que 10 kg/cm 2 equivalen a 1 MPa. 16

25 La junta espiga-campana se forma al insertar el extremo liso del tubo en el extremo campana del siguiente tubo (figura 2.7). Para garantizar la unión hermética se coloca un anillo de material elástico. Tiene como ventajas el funcionar como junta de dilatación, así como el permitir deflexiones y realizar la prueba hidrostática al terminar su instalación. Este tipo de junta es ampliamente utilizada en la tubería de PVC, concreto y hierro fundido. Anillo de hule Marca tope Campana Espiga Cßmara de dilataci n Flujo Figura 2.7 Unión espiga-campana en tubería de PVC La serie métrica de tubos de PVC se fabrica en diámetros nominales de 50 a 630 mm (50, 63, 80, 100, 160, 200, 250, 315, 355, 400, 450, 500 y 630 mm) con longitud útil de seis metros (se pueden acordar otras longitudes previo acuerdo entre fabricante y comprador). Las cinco clases existentes se diferencian en el espesor de pared del tubo. Es importante señalar que en este tipo de tubería el diámetro nominal es igual al diámetro exterior del tubo. Las ventajas de los tubos de PVC incluyen: - Hermeticidad. Por su naturaleza el PVC impide filtraciones y fugas, lo cual se garantiza si los tubos cuentan con una junta hermética. Se recomienda la unión espiga-campana con anillo de hule integrado porque actúa como junta de dilatación. - Pared interior lisa. Presenta bajas pérdidas por fricción, por lo cual tiene alta eficiencia en la conducción de fluidos. - Resistencia a la corrosión. El PVC es inmune a la corrosión química o electroquímica. Por lo tanto no requiere recubrimientos, forros o protección catódica. No se forman incrustaciones ni tuberculizaciones (formaciones de óxido). - Resistencia química. El PVC es altamente resistente al ataque químico de suelos agresivos, de aguas conducidas, y en general de ácidos, álcalis y soluciones salinas. Algunos hidrocarburos afectan temporalmente sus propiedades, pero se restablecen cuando se evaporan los hidrocarburos. Además resiste el ataque de algas, hongos y bacterias por no existir en el PVC materia nutriente para su desarrollo. - Ligereza. Es sencillo de transportar, manejar y colocar. - Flexibilidad. Permite cierta deflexión durante su instalación. - Resistencia a la tensión. Mejor comportamiento frente a movimientos sísmicos, cargas externas muertas y vivas, así como ante sobrepresiones momentáneas (golpe de ariete). 17

26 - Facilidad de instalación. Puede manejarse y cortarse en obra. - No altera la calidad del agua. Entre sus desventajas se tienen: - Susceptibilidad a daños durante su manejo. Su resistencia puede ser afectada por raspaduras, o la caída de rocas durante la excavación o relleno de la zanja. Es recomendable que el tubo sea reparado o reemplazado si la raspadura es mayor al 10% del espesor del tubo. - A temperaturas menores a 0 C, el PVC reduce su resistencia al impacto. - A temperaturas mayores a 25 C, se debe reducir la presión de trabajo. - La exposición prolongada a los rayos solares reduce su resistencia mecánica. Los tubos de polietileno (PE), serie métrica, se fabrican de acuerdo a las especificaciones contenidas en la Norma Mexicana NMX-E-144 vigente, en color negro, cilíndricos y sin costura. Pueden utilizarse en la conducción de agua potable, agua para riego y residuos industriales a presiones y temperaturas variables. Se clasifican de acuerdo a la densidad de la materia prima en tres tipos: - Tipo I Tubos de polietileno de baja densidad (PEBD) (0.91 a g/cm 3 ) con un esfuerzo de diseño de 2.45 MPa (25 kg/cm 2 ). - Tipo II Tubos de polietileno de media densidad (PEMD) (0.926 a g/cm 3 ) con un esfuerzo de diseño de 3.13 MPa (32 kg/cm 2 ). - Tipo III Tubos de polietileno de alta densidad (PEAD) (mayor o igual a g/cm3) con un esfuerzo de diseño de 4.90 MPa (50 kg/cm 2 ) y por su presión máxima de trabajo en cinco clases (Tabla 2.2). Y por su presión máxima de trabajo en cinco clases (Tabla 2.2). Tabla 2.2 Presión máxima de trabajo en tuberías de PE Clase Presión máxima de trabajo MPa kgf/cm

27 El diámetro nominal de los tubos de polietileno es el diámetro exterior, del cual se dispone desde 12 mm hasta 1000 mm (12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 75, 90, 110, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 560, 630, 710, 900 y 1000 mm). Los espesores de pared del tubo varían en función del tipo (densidad) y la clase (resistencia) del tubo. Los tubos de polietileno se surten en rollos para diámetros hasta de 75 mm, y en tramos para diámetros mayores. La longitud útil de rollos o tramos se establece de común acuerdo entre fabricante y comprador. De los tres tipos disponibles de tubos de polietileno, se recomienda emplear polietileno de alta densidad (PEAD) en la construcción de redes de distribución de agua potable. Los tubos de polietileno cuentan con las mismas ventajas que el PVC: hermeticidad, alta capacidad de conducción, inmunidad a la corrosión, resistencia química, ligereza, flexibilidad, facilidad de instalación, y no alteran la calidad del agua. Además tiene otras ventajas como son: - Termofusión. Las uniones se logran aplicando calor y uniendo las piezas con herramientas específicas, pero fáciles de utilizar (figura 2.8). Este procedimiento se detalla en los manuales e instructivos del fabricante. De esta forma no se requieren piezas especiales de hierro fundido, ya que en su lugar se utilizan conexiones especiales de polietileno unidas por termofusión. Figura 2.8 Unión por termofusión - Economía. Las excavaciones en zanjas son más reducidas en comparación con otros tipos de tuberías, por lo cual se tienen menores costos en zanjados y rellenos. Debido a la integración de la tubería y sus conexiones, así como a la sujeción brindada por los adaptadores bridados, pueden eliminarse los atraques. 19

28 - Compresibilidad. Para diámetros hasta de 100 mm no se requieren válvulas de seccionamiento, ya que con este tipo de tubería se construye la caja de operación de válvulas (más reducida), pero no se colocan válvulas. En su lugar se utiliza una prensa portátil que al ejercer presión en la tubería corta el flujo. Para diámetros mayores a 100 mm se emplean válvulas, conectadas a la tubería mediante un adaptador bridado de polietileno. - Rapidez de instalación. Por su presentación en rollos (diámetros menores a 75 mm), requiere sólo una unión en tramos largos con lo cual se agiliza su instalación. - Compatibilidad. Existen adaptadores especiales para cada tipo de unión (brida, rosca interna o externa, soldadura o compresión) y materiales a los que se une (PVC, cobre, FC, o acero). - Durabilidad. Con mantenimiento nulo, tiene una vida útil de 50 años, y 15 años de resistencia a la intemperie. - Entre sus desventajas se tienen: - Mayor costo que las tuberías de otros materiales Tuberías de fibrocemento. Las tuberías de fibrocemento (FC) se fabrican con cemento, fibras de asbesto y sílice. según las especificaciones señaladas en la Norma Mexicana NMX-C-012 vigente. De esta forma, se dispone de tubos de cuatro o cinco metros de longitud útil y coples de fibrocemento como sistema de unión, ambos en diámetros nominales desde 75 hasta 2,000 mm (75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 750, 900, 1000, 1050, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900 y 2000 mm). En este caso los diámetros nominales de los tubos corresponden al diámetro interior. Los coples pueden describirse como un tubo muy corto con ambos extremos en disposición semejante a una unión campana (figura 2.9a). Los tubos son entonces de extremos espiga. Este tipo de unión es empleado comúnmente en la tubería de fibrocemento, aunque en la unión con piezas especiales de hierro fundido se utilizan juntas Gibault (figuras 2.9b, 2.9c y 2.9d) y otros tipos de juntas mecánicas que permiten unir tuberías de extremos lisos. ANILLOS DE HULE TUBO TUBO COPLE DE FIBROCEMENTO Figura 2.9a Unión por medio de coples de fibrocemento 20